DE2849739A1 - METHOD OF MANUFACTURING SCINTILLATOR BODIES - Google Patents
METHOD OF MANUFACTURING SCINTILLATOR BODIESInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Scintillator-Strukturen und Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verteilen des Scintillator-Leuchtstoffes in einer solchen Weise, daß das Austreten der Strahlung sichtbarer Wellenlänge aus dem Scintillator-Körper gefördert wird, die sonst innerhalb dieses Körpers zerstreut werden würde. Es werden zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, wobei in der einen der Leuchtstoff in einer geschichteten Struktur verteilt ist und in der anderen der Leuchtstoff in einer transparenten Matrix dispergiert ist.The invention relates to scintillator structures and methods for the production of such structures. More particularly, the invention relates to a method of distributing the Scintillator phosphor in such a way that the leakage the radiation of visible wavelength is conveyed out of the scintillator body, which otherwise dissipates within this body would be. Two embodiments of the present invention are disclosed, in one of which the phosphor is distributed in a layered structure and in the other the phosphor is dispersed in a transparent matrix.
Ein Scintillator ist allgemein ein Material, das bei Erregung durch hochenergiereiche elektromagnetische Photonen, wie solche im Röntgen- oder Gammastrahlenbereich des Spektrums, die nachfolgend als supraoptische Frequenzen bezeichnet werden, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Spektrums emittiert. Diese Materialien sind ausgezeichnet zur Verwendung als Detektoren in industriellen oder medizinischen Röntgen- oder Gammastrahlen-Apparaten. Bei den üblichen Anwendungen läßt man die von den Scintillatormaterialien emittierte Strahlung (die Abgabe) auf photoelektrisch ansprechende Materialien auftreffen, in denen ein elektrisches Signal erzeugt wird, das abgegeben wird und das in direkter Beziehung steht zur Intensität der anfänglich auf das Scintillatormaterial auftreffenden Röntgen- oder Gammastrahlung.A scintillator is generally a material that works when aroused by high-energy electromagnetic photons, such as those in the X-ray or gamma-ray region of the spectrum, the following referred to as supra-optical frequencies, electromagnetic radiation in the visible or near the visible Spectrum emitted. These materials are excellent for use as detectors in industrial or medical X-ray or gamma-ray apparatus. In the usual applications, the emitted from the scintillator materials is left Radiation (the emission) impinging on photoelectrically responsive materials in which an electrical signal is generated, that is delivered and that is directly related to the intensity of the initial impact on the scintillator material X-rays or gamma rays.
Scintillatormaterialien umfassen einen Hauptteil solcher Geräte, die zum Nachweis der Anwesenheit und Intensität einfallender hochenergiereicher Photonen benutzt werden. Ein anderer üblicherweise benutzter Detektor ist die Ionisationskammer, die ein Edelgas unter hohem Druck enthält, wie Xenon, das zu einem gewissen Ausmaß ionisiert, wenn es hochenergiereicher Röntgen- oder Gammastrahlung ausgesetzt ist. Aufgrund dieser Ionisation fließt ein bestimmter Strom zwischen der Kathode und der Anode dieser Detektoren, die auf relativ hohen und entgegengesetzten Polaritäten·Scintillator materials comprise a major part of such devices that are used to detect the presence and intensity of incident high-energy photons are used. Another commonly used detector is the ionization chamber, which is a noble gas Contains high pressure, like xenon, which ionizes to some extent when it contains high energy x-rays or gamma rays is exposed. Due to this ionization, a certain current flows between the cathode and the anode of these detectors, those on relatively high and opposite polarities
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zueinander gehalten sind. Der fließende Strom wird durch einen entsprechenden Stromkreis nachgewiesen, dessen Abgabe die Intensität der hochenergiereichen Strahlung reflektiert. Da diese Art von Detektor einen Ionisationspfad benutzt, bleibt er offen. Er ist daher besonders empfindlich für seine eigene Form von "Nachleuchten" , was zu einem Verwischen von Information in der Zeitdimension führt, die in dem bestrahlenden Signal enthalten ist, und zwar als Ergebnis des Passierens eines zu untersuchenden Körpers, wie bei der computerisierten Tomographie.are held to each other. The flowing current is detected by a corresponding circuit, the output of which determines the intensity which reflects high-energy radiation. Since this type of detector uses an ionization path, it remains open. He is therefore particularly sensitive to its own form of "afterglow", leading to a blurring of information in the time dimension which is contained in the irradiating signal as a result of passing through an object to be examined Body, as in computerized tomography.
Der in dieser Anmeldung einschließlich der Ansprüche benutzte Begriff "Licht" bedeutet solche elektromagnetischen Strahlungen im sichtbaren Bereich des Spektrums sowie nahe dem Sichtbaren liegende Wellenlängen, die von gewissen Leuchtstoffen abgegeben werden. Der Begriff "optische" umfaßt den gleichen Spektralbereich wie der Begriff "Licht".The term "light" as used in this application including the claims means such electromagnetic radiation in the visible range of the spectrum as well as wavelengths lying close to the visible, which are emitted by certain phosphors will. The term "optical" encompasses the same spectral range as the term "light".
Es ist allgemein erwünscht, daß die Lichtabgabe der Scintillatoren für eine gegebene Menge Röntgen- oder Gammastrahlenenergie so groß als möglich ist. Dies trifft besonders für den medizinischen Tomo-It is generally desirable that the light output of the scintillators is as large as possible for a given amount of x-ray or gamma-ray energy. This is particularly true for medical tomography
Röntgen graphiebereich zu, wo die Intensität derAstrahlen so gering als möglich sein soll, um irgendeine Gefahr für den Patienten zu minimalisieren. X-ray area to where the intensity of the rays is as low as should be possible in order to minimize any danger to the patient.
Eine andere bedeutende Eigenschaft, die Scintillatormaterialien aufweisen sollten, ist die eines kurzen Nachleuchtens. Das bedeutet, daß nur eine relativ kurze Zeit zwischen der Beendigung der Anregung mit hochenergiereicher Strahlung und dem Aufhören der Lichtabgabe vom Scintillator verstreichen sollte. Wenn das nicht der Fall ist, dann erhält man ein Verschmieren in der Zeit des die Information tragenden Signals, das zum Beispiel erzeugt wird, wenn der Scintillator zur Herstellung tomographischer Bilddaten benutzt wird. Wenn ein rasches tomographisches Abtasten erwünscht ist, begrenzt das Nachleuchten die Abtastgeschwindigkeit stark und macht es daher schwierig, sich bewegende Körperorgane, wie das Herz oder die Lungen, zu beobachten.Another important property that scintillator materials should have is that of a brief afterglow. That means, that only a relatively short time between the termination of the excitation with high-energy radiation and the cessation of the Light output from the scintillator should elapse. If that is not the case, then you will get a smear in the time of the the information-carrying signal that is generated, for example, when the scintillator is used to produce tomographic image data is used. If rapid tomographic scanning is desired, the afterglow severely limits the scanning speed and therefore makes it difficult to observe moving body organs such as the heart or lungs.
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Ein Scintillator-Körper oder eine Scintillator-Substanz muß, um wirksam zu sein, ein guter Umwandler von hochenergiereicher Strahlung, d. h. Röntgen- und Gammastrahlung, sein. Die derzeitigen Scintillatorkörper bestehen aus einem Leuchtstoff in Pulver-, polykristalliner oder kristalliner Form. In diesen Formen ist das bei Anregung mit hochenergiereicher Strahlung erzeugte brauchbare Licht auf das begrenzt, das aus dem Inneren des Scintillator-Körpers nach außen gelangt und das bereits in den Oberflächenbereichen erzeugt wird. Wegen der optischen Absorption aufgrund der vielfachen inneren Reflektionen, wobei jede Reflektion die zu äußeren Detektoren gelangene Lichtmenge weiter schwächt, ist das Entweichen von Licht schwierig. Es ist daher notwendig, daß nicht nur die Leuchtstoffe selbst eine gute Leuchtwirksamkeit aufweisen, sondern es ist auch notwendig, daß das emittierte Licht zum Nachweis verfügbar ist.A scintillator body or substance must be in order to be effective, a good converter of high energy radiation, i.e. H. X-rays and gamma rays. The current ones Scintillator bodies consist of a phosphor in powder, polycrystalline or crystalline form. In these Shapes, the usable light generated when excited with high-energy radiation is limited to that which comes from within of the scintillator body reaches the outside and that already in the surface areas is generated. Because of the optical absorption due to the multiple internal reflections, with each reflection increasing the amount of light reaching the external detectors weakens, it is difficult for light to escape. It is therefore necessary that not only the phosphors themselves be good Have luminous efficacy, but it is also necessary that the emitted light is available for detection.
Im medizinischen Tomographiebereich, wo die Intensität der Röntgenstrahlung durch den Körper, den sie passiert, moduliert wird, wobei diese modulierte Strahlung dann in elektrische Signale umgewandelt wird, ist es von Bedeutung, daß Röntgenstrahlen-Nachweisgeräte mit einer guten Gesamtenergieumwandlung vorhanden sind. Bei Geräten mit geringerer Wirksamkeit muß eine Röntgenstrahlung einer höheren Flußdichte benutzt werden, um die gleiche Licht- und elektrische Abgabe vom Gesamtsystem zu erzeugen. In einem medizinischen Tomographiezusammenhang bedeutet dies, daß ein solches System ein geringes Verhältnis von Signal zu Geräusch, auch Rauschabstand genannt, aufweist.In medical tomography, where the intensity of X-rays is modulated by the body it passes through, this modulated radiation then being converted into electrical signals It is important that X-ray detection devices with good overall energy conversion are available. For devices with less efficiency, X-rays with a higher flux density must be used to generate the same light and generate electrical output from the overall system. In a medical tomography context, this means that a such a system has a low signal-to-noise ratio, also known as the signal-to-noise ratio.
Typische Scintillator-Leuchtstoffe schließen mit Europium dotiertes Bariumfluorchlorid ein (BaFCIrEu). Andere Leuchtstoffe sind zum Beispiel Wismutgermanat (Bi4Ge3O12), Lanthanoxybromid dotiert mit Terbium (LaOBr:Tb), Cäsiumjodid dotiert mit Thallium (CsJ:T1), Cäsiumjodid dotiert mit Natrium (CsJ:Na), Kalziumwolframat (CaWO4), Kadmiumwolframat (CdWO4), Zinkkadmiumsulfid dotiert mit Silber (ZnCdS:Ag), Zinkkadmiumsulfid dotiert mit Silber und Nickel (ZnCdS:Ag,Ni) , Gadoliniumoxysulfid dotiert mit Terbium (Cd2O2S:Tb) und Lanthanoxybromid dotiert mit Dysprosium (LaOBr:Dy). AndereTypical scintillator phosphors include europium doped barium fluorochloride (BaFCIrEu). Other phosphors are, for example, bismuth germanate (Bi 4 Ge 3 O 12 ), lanthanum oxybromide doped with terbium (LaOBr: Tb), cesium iodide doped with thallium (CsJ: T1), cesium iodide doped with sodium (CsJ: Na), calcium tungstate (CaWO 4 ) , Cadmium tungstate (CdWO 4 ), zinc cadmium sulfide doped with silver (ZnCdS: Ag), zinc cadmium sulfide doped with silver and nickel (ZnCdS: Ag, Ni), gadolinium oxysulfide doped with terbium (Cd 2 O 2 S: Tb) and lanthanum oxybromide doped LaOBr: Dy). Other
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Wirtskristallmöglichkeiten für Leuchtstoffe schließen die Selenide von Zink und Kadmium, die Telluride von Zink und Kadmium, Natriumjodid und das Oxysulfid des Lanthans (La-OpS) ein.The selenides include host crystal possibilities for phosphors of zinc and cadmium, the tellurides of zinc and cadmium, sodium iodide and the oxysulphide of lanthanum (La-OpS).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein geeigneter Leuchtstoff an beiden Seiten eines darunterliegenden Substrates angebracht, wobei der Leuchtstoff entweder in Pulverform oder in einer zusammenhängenderen Form oder in dispergierter Form in einer transparenten Matrix eingesetzt wird. Die dabei mit Leuchtstoffmaterial versehenen erhaltenen Substrate werden weiter miteinander und mit einem transparentem Material zwischen den leuchtstoffüberzogenen Substraten geschichtet. Diese Struktur legt einen größeren Bereich von Leuchtstoffmaterial gegenüber einer Region frei, von der das vom Leuchtstoffmaterial emittierte Licht leicht entweichen kann, um nachgewiesen zu werden. Die erhaltenen Scintillatorkörper sind brauchbar in tomographischen Detektoranordnungen, die eine hohe Gesamtenergieumwandlungswirksamkeit erfordern, um eine hohe Bildauflösung zu haben und für die Sicherheit des Patienten zu sorgen.According to one embodiment of the present invention, a suitable phosphor attached to both sides of an underlying substrate, the phosphor either in powder form or is used in a more coherent form or in dispersed form in a transparent matrix. The one with it The obtained substrates provided with phosphor material are further connected to one another and with a transparent material between the coated substrates. This structure opposes a larger area of phosphor material a region from which the light emitted by the phosphor material can easily escape to be detected. The received Scintillator bodies are useful in tomographic detector assemblies that have high overall energy conversion efficiency in order to have a high image resolution and to ensure the safety of the patient.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Leuchtstoffmaterial in einer kontinuierlichen Weise in einer transparenten Matrix verteilt. Das bei Röntgen- oder Gammastrahlenabsorption im Scintillatorkörper erzeugte Licht entweicht daher aus dem Körper bei minimaler innerer Reflexion und folglich geringem Lichtenergieverlust.In another embodiment of the present invention is the phosphor material is distributed in a continuous manner in a transparent matrix. That with X-ray or gamma-ray absorption Light generated in the scintillator body therefore escapes from the body with minimal internal reflection and consequently low loss of light energy.
Das in den obigen Strukturen benutzte Leuchtstoffmaterial ist billig, verglichen mit den Ionisationsdetektoren, die unter hohem Druck (25 Atmosphären) stehendes Edelgas um Elektroden herum verwenden, die bei hohen gegenüberliegenden Polaritäten zueinander gehalten sind.The phosphor material used in the above structures is cheap compared to the ionization detectors used under high Use pressure (25 atmospheres) inert gas around electrodes that are at high polarities opposite one another are held.
Die Zeichnung zeigt:The drawing shows:
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Figur 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Leuchtstoff schichtartig verteilt ist,FIG. 1 shows a side view in section of an embodiment of the present invention in which the phosphor is layered is distributed
Figur 2 eine Draufsicht im Schnitt des Scintillatorkörpers nach Figur 1, in der die geschichtete Verteilung des Leuchtstoffes ersichtlich ist,FIG. 2 shows a plan view in section of the scintillator body according to FIG Figure 1, in which the layered distribution of the phosphor can be seen,
Figur 3 eine Seitenansicht eines Scintillatorkörpers, der von einer Umhüllung umgeben ist, die zur Umwandlung des vom Scintillator abgegebenen Lichtes in eine geeignetere Wellenlänge dient,FIG. 3 shows a side view of a scintillator body which is surrounded by a casing which is used for converting the from Scintillator light emitted in a more suitable wavelength is used,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht von Scintillatorkörpern, bei denen der Leuchtstoff im Schichtform verteilt ist und die als Teil eines tomographischen Röntgenstrahldetektors angeordnet sind.FIG. 4 shows a perspective view of scintillator bodies in which the phosphor is distributed in the form of layers and which are arranged as part of an X-ray tomographic detector.
Figur 5 eine Seitenansicht im Schnitt einer schichtartigen Scintillator struktur , die für eine größere Absorption geneigt ist,FIG. 5 shows a side view in section of a layer-like scintillator structure inclined for greater absorption,
Figur 6 eine Seitenansicht im Schnitt eines Scintillatorkörpers mit kontinuierlicher Dispersion des Leuchtstoffes durch den Körper,FIG. 6 shows a side view in section of a scintillator body with continuous dispersion of the phosphor the body,
Figur 7 eine Draufsicht im Schnitt des Scintillatorkörpers nach Figur 6, die auch die kontinuierliche Dispersion des Leuchtstoffmaterials durch den Körper zeigt, undFIG. 7 shows a plan view in section of the scintillator body according to FIG. 6, which also shows the continuous dispersion of the Shows phosphor material through the body, and
Figur 8 einen Teil eines tomographischen Röntgenstrahldetektors mit Scintillatorkörpern, bei denen der Leuchtstoff kontinuierlich durch den Körper verteilt ist.FIG. 8 shows a part of a tomographic X-ray detector with scintillator bodies in which the phosphor is continuous is distributed throughout the body.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Scintillatorstruktur mit verteiltem Leuchtstoff, die eine größere optische Kopplung zwischen dem Scintillatorkörper und dem photoelektrisch ansprechenden EIe-The invention relates to a scintillator structure with distributed Luminescent material, which has a greater optical coupling between the scintillator body and the photoelectrically responsive egg
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ment, wie einer Photodiode, erzeugt. Es gibt zwei hauptsächliche Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung; eine, bei der der Leuchtstoff schichtartig verteilt ist, und eine andere, in der der Leuchtstoff kontinuierlich durch den Scintillatorkörper verteilt ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Abschnitte von Scintillatorkörpern, bei denen der Leuchtstoff kontinuierlich durch den Körper verteilt ist, in einer Ausführungsform einer Vielschichtstruktur benutzt werden.ment, such as a photodiode. There are two main ones Embodiments according to the present invention; one where the phosphor is distributed in layers, and another in which the phosphor is continuous through the scintillator body is distributed. It should be noted, however, that sections of scintillator bodies in which the phosphor is continuous is distributed through the body, can be used in one embodiment of a multilayer structure.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht im Schnitt eines Scintillatorkörpers 1 mit einer Vielschichtstruktur. Bei dieser Ausführungsform ist das Leuchtstoffmaterial 3 an einem Substrat 5 angebracht. Die leuchtstoffüberzogenen Substrate sind dann weiter mit das Licht kanalisierenden Laminaten 4 zwischen den Schichten der leuchtstoffüberzogenen Substrate geschichtet. Ein Röntgenphoton wird durch ein Leuchtstoffteilchen an einer Absorptionsstelle 6 in der vierten Leuchtstoffschicht absorbiert. Die Absorption des energiereichen Röntgenphotons hoher Frequenz verursacht die Erzeugung vieler Photonen optischer Wellenlänge mit geringerer Energie und kleinerer Frequenz. Der Pfad 7 eines Photons optischer Wellenlänge wird in seinem hin und her reflektierten Verlauf innerhalb des das Licht kanalisierenden Laminats 4 zwischen den Leuchtstoff schichten gezeigt, wobei dieses Photon schließlich aus dem Scintillatorkörper entweicht, wodurch es leichter nachgewiesen werden kannyals wenn die Absorption innerhalb eines dichten und viel weniger optisch transparenten Körpers stattgefunden hätte.FIG. 1 shows a side view in section of a scintillator body 1 with a multilayer structure. In this embodiment, the phosphor material 3 is attached to a substrate 5. The phosphor-coated substrates are then further layered with the light-channeling laminates 4 between the layers of the phosphor-coated substrates. An X-ray photon is absorbed by a phosphor particle at an absorption point 6 in the fourth phosphor layer. The absorption of the high-frequency, high-energy X-ray photon causes the generation of many photons of optical wavelength with lower energy and lower frequency. The path 7 of a photon of optical wavelength is shown in its back and forth reflected course within the light channeling laminate 4 between the phosphor layers, this photon finally escaping from the scintillator body, making it easier to detect y than if the absorption within a dense and much less optically transparent body would have taken place.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht der gleichen Scintillatorstruktur wie in Figur 1, wobei zu bemerken ist, daß die Zahl der leuchtstoffüberzogenen Substratschichten nicht auf die gezeigten vier beschränkt zu sein braucht.Figure 2 shows a plan view of the same scintillator structure as in Figure 1, it being noted that the number of phosphor coated Substrate layers need not be limited to the four shown.
Sowohl Figur 1 als auch Figur 2 zeigen eine Leuchtstoffschicht Diese Leuchtstoffschicht 3, die auf das Substrat 5 aufgebracht ist, wird in einer Vielfalt von Leuchtstofformen benutzt. Die Leuchtstoffschicht 3 kann entweder aus einem pulverförmiger einkristallinen oder einem Leuchtstoff bestehen, der in einer trans-Both FIG. 1 and FIG. 2 show a phosphor layer This phosphor layer 3, which is applied to the substrate 5 is used in a variety of phosphor forms. The phosphor layer 3 can either consist of a powdery monocrystalline or a luminescent material, which in a trans-
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parenten Matrix dispergiert ist, oder aus einem Leuchtstoff, der in einer zusammenhängenden Schicht aufgebracht ist, wie zum Beispiel einem durch Abschrecken der flüssigen Form gebildeten Leuchtstoffmaterial.parent matrix is dispersed, or from a phosphor which is applied in a cohesive layer, such as, for example a phosphor material formed by quenching the liquid form.
Mit einem geeigneten Klebstoff kann irgendeiner der vorgenannten Leuchtstoffe auf das Substrat in einer geeigneten Dicke aufgebracht werden. So hat insbesondere ZnCdSrAg eine große Teilchengröße, die das Entweichen des Lichtes aus der Pulverschicht fördert. Die Emissionsfarbe dieses besonderen Leuchtstoffes ist orange-rot und dies macht ihn besonders gut geeignet zum Nachweis mittels Siliziumhalbleiterelementen. Eine 0,5 mm dicke Schicht dieses Leuchtstoffes absorbiert zwischen 20 und 25 % der Röntgenphotonen in einem computerisierten Tomographiesystem, bei dem die durchschnittliche Röntgenstrahlenergie etwa 65 KeV beträgt. Fünf oder sechs Schichten dieser Dicke reichen daher von diesem Leuchtstoff, um 90 % oder mehr der Röntgenphotonen zu absorbieren. Werden andere, stärker Röntgenstrahlen absorbierende Seltene Erdmetall-Leuchtstoffe benutzt, wie LaOBr:Tm, LaOBr:Tb, Gd3O3SrTb oder La3O3SrTb, dann ist die Zahl der zur vollständigen Absorption erforderlichen Schichten kleiner, und die Verluste in den lichtleitenden Laminatschichten sind ebenfalls geringer. Any of the aforementioned phosphors can be applied to the substrate in a suitable thickness with a suitable adhesive. In particular, ZnCdSrAg has a large particle size, which promotes the escape of light from the powder layer. The emission color of this special phosphor is orange-red and this makes it particularly suitable for detection using silicon semiconductor elements. A 0.5 mm thick layer of this phosphor absorbs between 20 and 25% of the X-ray photons in a computerized tomography system in which the average X-ray energy is about 65 KeV. Five or six layers of this thickness will therefore be enough of this phosphor to absorb 90% or more of the X-ray photons. If other rare earth metal phosphors that absorb more X-rays are used, such as LaOBr: Tm, LaOBr: Tb, Gd 3 O 3 SrTb or La 3 O 3 SrTb, then the number of layers required for complete absorption is smaller and the losses in the light-conducting laminate layers are also lower.
Es gibt eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten für das Leuchtstoffmaterial. Die drei zum Auswählen eines besonderen Leuchtstoffes für computerisierte Tomographie benutzten Kriterien sind seine hohe Leuchtwirksamkeit, das kurze Nachleuchten und die geringe Absorption für das emittierte Licht. Die Abklinggeschwindigkeit (Nachleuchten) ist besonders von Bedeutung in solchen Anwendungen der medizinischen Tomographie, bei denen wiederholtes Abtasten ausgeführt wird, wie z.B. bei Bildern sich bewegender Körperorgane. Die Auswahl von Wirtskristallgittern, die mit einem geeigneten Seltenen Erdmetall zu dotieren sind, d. h. einem Element mit der Atomzahl zwischen 58 und 71 einschließlich,oder einem anderen Aktivator, schließen die Sulfide, Selenide und Telluride von Zink und Kadmium, die Jodide von Natrium und Cäsium, die Wolframate von Kalzium und Kadmium, Lanthanoxybromid und die Oxysulfide von Lanthan und Gadolinium ein.There are a variety of choices for the phosphor material. The three criteria used to select a particular phosphor for computerized tomography are its high luminous efficacy, short afterglow and low absorption for the emitted light. The decay rate (Afterglow) is of particular concern in medical tomography applications involving repeated scanning is performed, such as images of moving body organs. The selection of host crystal lattices with a suitable Rare earth metals are to be doped, d. H. an element with an atomic number between 58 and 71 inclusive, or another Activator, include the sulfides, selenides and tellurides of zinc and cadmium, the iodides of sodium and cesium, the tungstates of Calcium and cadmium, lanthanum oxybromide and the oxysulfides of lanthanum and gadolinium.
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Zusätzlich zum Aufbringen des Leuchtstoffmaterials in Pulverform auf das Substrat kann das Leuchtstoffmaterial auch als Einkristall aufgebracht werden, wenn solche Kristalle existieren. So ist z. B. ein Einkristall von Cäsiumjodid, dotiert mit Thallium, mittels eines geeigneten Klebstoffes, wie eines Epoxyharzes, an dem Substrat anbringbar.In addition to applying the phosphor material in powder form The phosphor material can also be applied to the substrate as a single crystal applied when such crystals exist. So is z. B. a single crystal of cesium iodide doped with thallium, attachable to the substrate by means of a suitable adhesive such as an epoxy resin.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Leuchtstoffschicht, die an dem Substrat angebracht ist, aus einem geeigenten Leuchtstoff, der kontinuierlich in einer transparenten Matrix dispergiert ist, wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird. Diese besondere geschichtete Ausführungsform kombiniert Merkmale beider offenbarten Hauptausführungsformen. In another embodiment of the present invention, there is the phosphor layer attached to the substrate, from a suitable phosphor which is continuously dispersed in a transparent matrix, as will be explained in more detail below will be described. This particular layered embodiment combines features of both of the main embodiments disclosed.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Leuchtstoffschicht 3 (vgl. Figur 1) aus einer Leuchtstoffschicht, die entweder durch Bedampfen, Erstarrenlassen einer Schmelze, Sintern unter hohem Druck oder durch Heißschmieden auf das Substrat aufgebracht ist. Verfahren zum Herstellen dieser zusammenhängenden Leuchtstoffschichten sind in der am gleichen Tage eingereichten anderen deutschen Patentanmeldung beschrieben, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial-No. 853 085 vom 21. November 1977 beansprucht ist.In another embodiment of the present invention, there is the luminescent layer 3 (see FIG. 1) made of a luminescent layer, either by vapor deposition, solidification of a melt, sintering under high pressure or by hot forging the substrate is applied. Processes for making these coherent phosphor layers are on the same day filed another German patent application, for which the priority of the US patent application Serial-No. 853 085 of November 21, 1977 is claimed.
Das Substratmaterial selbst darf keine Röntgenstrahlen absorbieren, deren Frequenzen innerhalb des interessierenden Spektralbereiches liegen. Typischerweise besteht das Substrat aus einem klargeschmolzenen Quarzmaterial. Dieses Substrat sollte auch optisch transparent sein, obwohl dies nicht wesentlich ist, da die Mehrzahl der emittierten optischen Photonen durch die lichtkanalisierenden Laminatschichten ihren Weg zur Außenseite des Scintillators findet. Eine typische Dicke für dieses Substrat für tomographische Anwendung beträgt 0,5 mm.The substrate material itself must not absorb any X-rays, whose frequencies lie within the spectral range of interest. Typically the substrate consists of one clear fused quartz material. This substrate should also be optically transparent, although this is not essential the majority of the emitted optical photons make their way through the light channeling laminate layers to the outside of the Scintillators finds. A typical thickness for this substrate for tomographic applications is 0.5 mm.
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Zwischen jeweils zwei leuchtstoffüberzogenen Substraten liegt eine Schicht des lichtkanalisierenden Laminatmaterials. Dieses ist üblicherweise ein Epoxymaterial. Das Hauptkriterium für die Auswahl dieses Laminatmaterials ist seine optische Transparenz. Andere Kriterien schließen seine chemische Verträglichkeit mit dem Leuchtstoffmaterial, seine strukturelle Starrheit, seine geringe Röntgenstrahlenabsorption und seine Fähigkeit ein, auch gegenüber einer längeren Röntgenbestrahlung widerstandsfähig zu sein.Between each two fluorescent-coated substrates lies a layer of the light channeling laminate material. This is usually an epoxy material. The main criterion for the The choice of this laminate material is its optical transparency. Other criteria include its chemical compatibility the fluorescent material, its structural rigidity, its low X-ray absorption and its ability to be resistant to prolonged exposure to X-rays be.
Die Laminatschicht enthält auch wahlweise mindestens ein Material, wie einen Fluoreszenzfarbstoff, der aufgrund einer Wellenlängenumwandlung ein Photon sichtbarer Wellenlänge emittiert, das mittels des photoelektrisch ansprechenden Elementes nachgewiesen werden kann, wenn das Material zur Umwandlung der Wellenlänge von den vom Leuchtstoffmaterial erzeugten Photonen optischer Wellenlänge angeregt wird. Der innige Kontakt der Laminatschichten mit den Leuchtstoffschichten macht die ersteren besonders brauchbar und wirksam für eine Wellenlängenumwandlung.The laminate layer also optionally contains at least one material like a fluorescent dye, which is due to a wavelength conversion emits a photon of visible wavelength, which is detected by means of the photoelectrically responsive element can be if the material for converting the wavelength of the photons generated by the phosphor material more optical Wavelength is excited. The intimate contact of the laminate layers with the phosphor layers makes the former special useful and effective for wavelength conversion.
Wenn die Wellenlängenumwandlung nicht innerhalb des Scintillatorkörpers stattfinden soll, dann wird dieser in einer anderen Ausführungsform von einer Umhüllung umgeben, die eine Substanz enthält, die zur Wellenlängenumwandlung in der Lage ist. Diese Ausführungsform ist in Figur 3 dargestellt, wo eine vielschichtiger Scintillatorkörper 1 oder ein Scintillatorkörper 10, der kontinuierlich dispergierten Leuchtstoff enthält und im folgenden näher beschrieben wird, von einer Umhüllung 8 umgeben ist, die ein Material, wie gewisse Fluoreszenzfarbstoffe, enthält, die die Wellenlängenumwandlung vornehmen können. In Figur 3 wird das Röntgenphoton 2 an der Absorptionsstelle 6 innerhalb des Scintillatorkörpers 1 absorbiert, und dadurch werden viele Photonen mit einer ersten geringeren Wellenlänge emittiert, wobei deren Pfade durch einen Pfad 7 illustriert sind. Dieses Photon gelangt auf dem Pfad 7 zu einer sekundären Absorptionsstelle 61 innerhalb der den Scintillatorkörper 1 umgebenden Umhüllung 8. An dieser Stellt 6' wird das Photon der ersten geringeren Wellenlänge absorbiert, undIf the wavelength conversion is not to take place within the scintillator body, then in another embodiment this is surrounded by an envelope which contains a substance which is capable of wavelength conversion. This embodiment is shown in Figure 3, where a multi-layered scintillator body 1 or a scintillator body 10, which contains continuously dispersed phosphor and is described in more detail below, is surrounded by an envelope 8 which contains a material, such as certain fluorescent dyes, which contains the wavelength conversion can make. In FIG. 3, the X-ray photon 2 is absorbed at the absorption site 6 within the scintillator body 1, and as a result many photons with a first smaller wavelength are emitted, their paths being illustrated by a path 7. This photon arrives on the path 7 to a secondary absorption point 6 1 within the envelope 8 surrounding the scintillator body 1. At this point 6 ′ the photon of the first shorter wavelength is absorbed, and
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ein anderes Photon einer zweiten Wellenlänge wird emittiert und verläßt den Körper über den Pfad 7' . Auf diese Weise karin die Scintillatorwellenlänge einem empfindlicheren Spektralbereich eines photoelektrisch ansprechenden Detektors angepaßt werden. Wenn es erwünscht ist, können mehrere Wellenlängenumwandlungen vorgenommen werden, indem man vielfach angepaßte Fluoreszenzmaterialien benutzt.another photon of a second wavelength is emitted and leaves the body via path 7 '. That way karin the Scintillator wavelength can be adapted to a more sensitive spectral range of a photoelectrically responsive detector. If desired, multiple wavelength conversions can be made by using multiple matched fluorescent materials used.
Es wird die Herstellung eines typischen vielschichtigen Scintillatorkörpers beispielhaft beschrieben: Hierzu wird der Leuchtstoff BaFCl:Eu mit einem gleichen Gewicht eines Epoxyharzes (1269A STACAST® der Emerson and Cuming Inc., Canton, Mass.) vermengt, das 0,1 g Rhodamin auf 30 ml Epoxyharz enthält. Die Europiumdotierung beträgt etwa 1 Mol-%, obwohl auch Dotierungen von 0,1 bis 5 Mol-% benutzt werden. Der Leuchtstoff wird durch Rollen für 16 Stunden in einem Glasbehälter mit Glasperlen in dem Epoxyharz suspendiert. Die Suspension wird mit einem Gardner-Abstreichmesser bis zu einer Dicke von 0,5 mm auf 0,5 mm dicke Substrate aus klargeschmolzenem Quarz aufgebracht. Der aufgebrachte Suspensionsfilm wird 18 Stunden lang bei 88 0C gehärtet, und danach überzieht man das Substrat auf der anderen Seite und härtet wieder. Es wird ein Blockscintillatormaterial hergestellt, indem man das mit Leuchtstoff versehene Substrat mit 1 mm dicken gehärteten Epoxy-Abstandshaltern unter Verwendung des gleichen Epoxyharzes als Zement laminiert. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der organische Farbstoff Rhodamin nicht in den Leuchtstoff, sondern in die Epoxyharz-Abstandshalter eingearbeitet.The production of a typical multi-layered scintillator body is described by way of example: For this purpose, the phosphor BaFCl: Eu is mixed with an equal weight of an epoxy resin (1269A STACAST® from Emerson and Cuming Inc., Canton, Mass.), The 0.1 g of rhodamine to 30 ml contains epoxy resin. The europium doping is about 1 mol%, although dopings from 0.1 to 5 mol% are also used. The phosphor is suspended in the epoxy resin by rolling for 16 hours in a glass container with glass beads. The suspension is applied with a Gardner doctor blade to a thickness of 0.5 mm on 0.5 mm thick substrates made of clear fused quartz. The applied suspension film is cured for 18 hours at 88 ° C., and then the substrate is coated on the other side and cured again. A block scintillator material is made by laminating the fluorescent substrate with 1 mm thick epoxy cured spacers using the same epoxy resin as cement. In another embodiment of the present invention, the organic dye rhodamine is not incorporated into the phosphor but into the epoxy resin spacers.
Es gibt eine Reihe vorteilhafter Merkmale dieser besonderen Scintillatorstruktur. So wird z. B. die Menge der absorbierten Röntgenstrahlung durch die Zahl der Leuchtstoffschichten kontrolliert. Diese Zahl der Leuchtstoffschichten wird für die verschiedenen Absorptionsvermögen der eingesetzten Leuchtstoffe eingestellt. Wenn es erwünscht ist, v/erden gewisse Substrate nur auf einer Seite mit Leuchtstoffmaterial überzogen. Ein anderer Vorteil dieser Struktur ist es, daß sie den Einsatz von anderen als ein-There are a number of advantageous features of this particular scintillator structure. So z. B. the amount of absorbed X-rays is controlled by the number of phosphor layers. This number of phosphor layers is set for the different absorption capacities of the phosphors used. If desired, certain substrates are coated with phosphor material on only one side. Another advantage of this structure is that it allows the use of others as
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kristallinen Leuchtstoffen, wie CsJ:Tl, gestattet. Diese Struktur gestattet eine flexiblere Auswahl hinsichtlich des geeigneten Leuchtstoffes, wenn Eigenschaften wie die Wellenlänge des abgegebenen Lichtes, die Nachleuchtdauer und die Leuchtwirksamkeit ausgeglichen werden müssen. Außerdem gibt es bestimmte Leuchtstoffe, wie CsJ:Na, die, obwohl ansonsten gute Leuchtstoffmaterialien, den Nachteil haben, daß sie hygroskopisch sind und aus der Atmosphäre Wasser absorbieren und dabei ihre Leistungsfähigkeit verlieren. Dieses Problem ist viel weniger ernst in einer geschichteten Struktur, bei der das Leuchtstoffmaterial der Atmosphäre nur minimal ausgesetzt ist, als wenn der Leuchtstoff auf einen ausgesetzten Bildschirm aufgebracht ist. Ein anderes Merkmal des Scintillatorkörpers, das von der Struktur der Erfindung herrührt, ist seine Starrheit und Stabilität. Eine tomographische Scintillator-Detektor-Struktur, wie sie in Figur 4 gezeigt ist, leidet nicht unter den Wirkungen der Aufnahme akustischer oder mikrofonischer Geräusche, wie dies bei Ionisationsdetektoren mit Edelgasfüllung unter hohem Druck der Fall ist. Darüber hinaus werden die Scintillatorkörper mit einem hohen Grad der Genauigkeit hergestellt, und dies ermöglicht, daß sie in einer Detektoranordnung wie der der Figur 4 genau ausgerichtet werden. Außerdem können die Leuchtstoffsubstrate in einem bestimmten Winkel angeordnet werden, wie in Figur 5 gezeigt, um eine größere Absorption zu bewerkstelligen, ohne die Dicke des Leuchtstoffes auf dem Substrat zu vergrößern, und dies gestattet die Erzielung der gleichen Absorption mit weniger Schichten.crystalline phosphors such as CsJ: Tl. This structure allows a more flexible selection with regard to the suitable phosphor, if properties such as the wavelength of the emitted Light, the afterglow duration and the luminous effectiveness must be balanced. There are also certain phosphors like CsJ: Well, which, although otherwise good phosphor materials, have the disadvantage that they are hygroscopic and from the The atmosphere absorbs water while maintaining its efficiency lose. This problem is much less serious in a layered structure where the phosphor material is exposed to the atmosphere is minimally exposed than when the phosphor is applied to an exposed screen. Another feature of the scintillator body resulting from the structure of the invention is its rigidity and stability. A tomographic Scintillator-detector structure as shown in Figure 4 does not suffer from the effects of acoustic or recording microphone noises, as is the case with ionization detectors with inert gas filling under high pressure. Furthermore the scintillator bodies are made with a high degree of accuracy and this enables them to be precisely aligned in a detector arrangement such as that of FIG. aside from that the phosphor substrates can be arranged at a certain angle as shown in Figure 5 to provide greater absorption without increasing the thickness of the phosphor on the substrate and this allows the same absorption to be achieved with fewer layers.
Gemäß der anderen bevorzugten Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Leuchtstoffmaterial in kontinuierlicher und gleichförmiger Weise in einer transparenten Trägermatrix dispergiert. Figur 6 zeigt einen solchen Scintillatorkörper 10, der durch ein hochenergiereiches Röntgenphoton 2 angeregt wird. Bei dieser Konfiguration sind die Leuchtstoffteilchen 11 in einer starren transparenten Matrix 12 dispergiert. Das Photon 2 wird durch Absorption an der Absorptionsstelle 6, von der eine Vielzahl von Photonen geringerer Energie und optischer Wellenlänge emittiert wird, umgewandelt. Diese Photonen werden durch die trans-According to the other main preferred embodiment of the present invention In the invention, the phosphor material is dispersed in a continuous and uniform manner in a transparent carrier matrix. FIG. 6 shows such a scintillator body 10, which is excited by a high-energy X-ray photon 2. at In this configuration, the phosphor particles 11 are in one rigid transparent matrix 12 dispersed. The photon 2 will by absorption at the absorption site 6, of which a large number emitted by photons of lower energy and optical wavelength. These photons are transmitted through the
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parente Matrix 12 unter periodischem Reflektieren und Zerstreuen durch die Phosphorteilchen 11 übertragen. Der größte Teil der erzeugten Lichtenergie erreicht jedoch schließlich das Äußere des Scintillatorkörpers und wird dort nachgewiesen. Ein typischer Lichtpfad 7 ist in Figur 6 gezeigt.parent matrix 12 with periodic reflection and scattering by the phosphor particles 11. Most of the However, the generated light energy eventually reaches the exterior of the scintillator body and is detected there. A typical one Light path 7 is shown in FIG.
Figur 7 gibt eine Draufsicht im Schnitt der Ausführungsform der Figur 6 wieder, in der die Absorption des Röntgenphotons 2 innerhalb des Scintillatorkörpers 10 gezeigt ist. Die Hauptanforderungen an die transparente Matrix sind, daß sie ein guter übertrager des Lichtes der durch den Leuchtstoff erzeugten Wellenlänge sein muß, daß sie nicht mit dem Leuchtstoff reagieren darf und daß sie den Leuchtstoff in einer fixierten Suspension erhält, nachdem er gründlich darin dispergiert worden ist. Für diesen Zweck sind eine Reihe von Kunststoffen geeignet, wie z. B. die Polyimid/Silikon-Copolymeren. FIG. 7 gives a plan view in section of the embodiment of FIG FIG. 6 again, in which the absorption of the X-ray photon 2 within the scintillator body 10 is shown. The main requirements to the transparent matrix are that they are a good transmitter of the light of the wavelength generated by the phosphor must be that it must not react with the phosphor and that it maintains the phosphor in a fixed suspension after it has been thoroughly dispersed therein. For this purpose are a number of plastics suitable, such as B. the polyimide / silicone copolymers.
In der Ausführungsform der Figur 6 ist die Auswahl des Leuchtstoff materials eine Frage des Designs und beruht auf Faktoren wie dem Absorptionsvermögen, der Nachleuchtdauer, der Lumineszenzwirksamkeit und der abgegebenen Wellenlänge. Die Leuchtstoffkonzentration in der transparenten Matrix wird so gesteuert, daß Veränderungen in der Gesamtabsorption bewirkt werden. Typischerweise besteht bei dieser Ausführungsform der Scintillatorkörper aus dem dispergierten Leuchtstoff in einer Konzentration von 10-20 VoL-%.In the embodiment of Figure 6 is the selection of the phosphor materials is a question of design and is based on factors such as the absorption capacity, the afterglow time, the luminescence efficiency and the emitted wavelength. The phosphor concentration in the transparent matrix is controlled so that changes in the total absorption are caused. Typically In this embodiment, the scintillator body consists of the dispersed phosphor in a concentration of 10-20% by volume.
Die Wellenlängenumwandlung wird von der Struktur mit dem dispergierten Leuchtstoff in einer von zwei Weisen bewirkt. Bei einer Ausführungsform ist der Scintillatorkörper von einer Umhüllung umgeben, die einen geeigneten Wellenlängenkonverter enthält, wie den organischen Farbstoff Rhodamin. Eine solche Struktur ist in Fig. 3 veranschaulicht, die gleichermaßen anwendbar ist auf die Struktur mit dem dispergierten Leuchtstoff wie für die oben besprochene Vielschichtstruktur. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Substanz zur Wellenlängenumwandlung mit dem transparenten Matrixmaterial vermischt.The wavelength conversion is of the structure with the dispersed Phosphor works in one of two ways. In one embodiment, the scintillator body is surrounded by an envelope, which contains a suitable wavelength converter, such as the organic dye rhodamine. Such a structure is shown in FIG. 3 which is equally applicable to the structure with the dispersed phosphor as for the one discussed above Multilayer structure. According to another embodiment of the invention the substance is mixed with the transparent matrix material for wavelength conversion.
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Die Herstellung der Scintillatorkörper mit dispergiertem Leuchtstoff ist besonders einfach. Der ausgewählte Leuchtstoff wird gründlich mit einem Epoxyharz, Kunststoff oder irgendeinem anderen Polymer vermischt, dessen optische und chemische Eigenschaften durch die Röntenstrahlung nicht ernstlich beeinflußt werden, und man läßt die erhaltene Mischung erstarren oder, wenn sie nicht tetsächlich erstarrt, wird der Leuchtstoff in der Suspension fixiert. Die Erstarrung bewerkstelligt man mit einer Reihe von Verfahren, einschließlich der chemischen Aktivierung, einer Temperaturerhöhung oder UV-Bestrahlung. Die Scintillatorkörper werden entweder einzeln oder in einer Vielzahl in einer vorfabrizierten Detektoranordnungsstruktur hergestellt. Die Figur 8 zeigt eine solche Scintillatorstruktur mit einem Vorderwandteil 21 aus einem Material mit einer kleinen Atomzahl, wie Beryllium oder Aluminium, das Röntgenstrahlen nicht absorbiert. Weiter weist die Struktur Kollimatorteile 20 auf, die aus einem Material hoher Ordnungszahl, wie Wolfram oder Tantal, bestehen, die für Röntgenstrahlen relativ undurchlässig sind. Schließlich hat die Struktur ein Bodenteil 23 und ein Rückwandteil 22. Die Detektorteile 20, 21 , 22 und 23 begrenzen eine Reihe von Volumina, in die das Material mit dem dispergierten Phosphor eingefüllt wird. Um eine angemessene und gründliche Füllung dieser Kollimatorstruktur sicherzustellen, wird die gesamte Detektoreinheit während des Einfüllens vorteilhafterweise durch Ultraschall in Bewegung gehalten bzw. gerührt. Dann läßt man das Material auf eine der genannten Weisen hart werden. Dadurch erhält man eine außerordentlich stabile Detektoranordnung, die für akustische Geräuschvibration während des Betriebes sehr viel weniger anfällig ist als eine Ionisationsdetektoranordnung. Wenn erwünscht, kann ein Material zur Wellenlängenumwandlung hinzugegeben werden.The manufacture of the scintillator body with dispersed phosphor is particularly easy. The selected phosphor becomes thoroughly with an epoxy, plastic, or any other Mixed polymer whose optical and chemical properties are not seriously affected by X-ray radiation, and the mixture obtained is allowed to solidify or, if it does not solidify completely, the phosphor becomes in the suspension fixed. Solidification is accomplished by a number of methods including chemical activation Increase in temperature or UV radiation. The scintillator bodies are prefabricated either individually or in a plurality in one Detector array structure made. FIG. 8 shows such a scintillator structure with a front wall part 21 a material with a small atomic number, such as beryllium or aluminum, that does not absorb X-rays. Next points the structure collimator parts 20, which are made of a material high There are atomic numbers, such as tungsten or tantalum, which are relatively opaque to X-rays. After all, the structure has a bottom part 23 and a rear wall part 22. The detector parts 20, 21, 22 and 23 delimit a number of volumes into which the material is filled with the dispersed phosphorus. To ensure adequate and thorough filling of this collimator structure, the entire detector unit is advantageously kept in motion by ultrasound during filling or touched. The material is then allowed to harden in one of the above-mentioned ways. This results in an extremely stable detector arrangement, which is much less susceptible to acoustic noise vibration during operation than an ionization detector arrangement. If desired, a wavelength conversion material can be added.
Wie die Vielschichtstruktur ist auch die Struktur mit dem dispergierten Phosphor starr, stabil und leicht genau auszurichten. Das Problem der Hygroskopizität gewisser Leuchtstoffmaterialien ist ebenfalls stark vermindert. Schließlich ist auch die Verwendung nicht einkristallinen Leuchtstoffmaterials möglich. Die Struktur mit dem dispergierten Leuchtstoff ist gegenüber Veränderungen desLike the multilayer structure, the structure is also with the dispersed Phosphorus is rigid, stable and easy to align precisely. The problem with the hygroscopicity of certain phosphor materials is also greatly reduced. Finally, the use of non-monocrystalline phosphor material is also possible. The structure with the dispersed phosphor is against changes in the
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Röntgenstrahlspektrums als Ergebnis von Filterwirkungen des Matrixmaterials nicht sehr empfindlich.X-ray spectrum not very sensitive as a result of filter effects of the matrix material.
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